Avanço na fotólise solar da água para produção de hidrogênio

A introdução de estratégias de “pico de carbono” e “neutro carbono” tem levado a uma redução nas emissões de carbono, sendo o hidrogênio uma opção atrativa como combustível limpo. Por outro lado, o hidrogênio também é necessário para muitos processos químicos, como a produção de fertilizantes. No entanto, atualmente, o hidrogênio é obtido principalmente por meio da conversão de água e gás, um processo que não só gera grandes emissões de carbono como também consome grandes quantidades de energia térmica.

A fotossíntese natural (as plantas usam a luz solar para obter átomos de hidrogênio da água) é bem conhecida, mas existe uma técnica de "fotossíntese artificial" para obter hidrogênio? A produção fotocatalítica de hidrogênio com base na hidrólise total é uma tecnologia sustentável e ecologicamente correta que consome apenas luz solar e água e não produz nenhuma emissão de carbono, por isso está atraindo muita atenção atualmente. No entanto, a baixa eficiência de conversão solar em hidrogênio (STH) dos atuais THMs fotocatalíticos limita sua aplicação prática.

Com isso em mente, a equipe do professor Yonezawa na Universidade de Michigan desenvolveu uma estratégia para atingir eficiências de STH de até 9,2% usando água pura, luz solar concentrada e um fotocatalisador de nitreto de gálio e índio, que imita as principais etapas da fotossíntese natural. Experimentos ao ar livre mostram que representa um grande avanço para a tecnologia, sendo quase 10 vezes mais eficiente do que experimentos comparáveis ​​de separação de água solar. Especificamente, os pesquisadores demonstraram que a desintegração fotocatalítica total da água nas superfícies InGaN/GaN não apenas promove a reação direta de decomposição da água, mas também inibe a reação reversa da complexação hidrogênio-oxigênio através do efeito térmico infravermelho gerado pela luz solar focalizada de alta intensidade, permitindo a Nanofios de InGaN para exibir eficiência de desintegração de água total fotocatalítica extremamente alta. Os resultados da pesquisa foram publicados na última edição da Nature sob o título "Eficiência solar para hidrogênio de mais de 9% na separação fotocatalítica da água".

Os pesquisadores alcançaram uma alta eficiência de STH de 9,2% usando água pura, luz solar concentrada e um fotocatalisador de nitreto de gálio e índio. O sucesso da estratégia neste artigo decorre do efeito sinérgico de promover a evolução direta do hidrogênio-oxigênio e inibir a recombinação reversa do hidrogênio-oxigênio, que pode ser alcançada operando na temperatura de reação ideal (~ 70 graus Celsius), diretamente pela colheita anterior luz infravermelha desperdiçada da luz solar. Além disso, essa estratégia dependente da temperatura também resultou em eficiências de STH de aproximadamente 7% da água da torneira e do mar amplamente disponíveis e 6,2% em um grande sistema fotocatalítico de separação de água com uma capacidade de luz solar natural de 25 7W. Esta pesquisa fornece uma abordagem prática para a produção eficiente de combustível de hidrogênio a partir da luz natural do sol e da água, superando o gargalo da eficiência da produção solar de hidrogênio.